宇宙中的每个天体都在太空中不断运动,例如,地球自从45亿年前诞生以来,它一直在环绕太阳运动,并且自身还一直在自转;就像地球一样,太阳本身也会绕轴自转,并且它还会环绕银河系中心旋转。那么,宇宙中的天体是永动机吗?为什么它们一直在运动而不会停下来?
热力学第一和第二定律表明,永动机是不存在的,所以天体也不是什么永动机。那么,什么力量让天体在宇宙中不断运动呢?
简单来说,天体持续运动的原因是角动量守恒。无论是行星还是恒星,它们最初都是从星云中通过引力坍缩作用而形成的。在原始星云中,粒子的热运动会导致它们之间互相碰撞,互相抵消。但在某个方向上,粒子的总角动量会有净值,所以星云具有朝着某个方向旋转的趋势。
在引力作用下,逐渐坍缩的星云会转得越来越快,因为角动量是守恒的,转动半径减小了,转速必然会加快。试想一下,手臂收缩起来的滑冰者会转得越来越快。从星云中形成的天体必然会继承原有星云的角动量,所以它们肯定会自转和公转,而不可能保持静止。
另一方面,宇宙的平均密度非常低,仅为9.9×10^-30克/立方厘米,这相当于在1立方米的空间中,分布着将近6个质子。因此,太空近乎真空。天体在太空中的运动几乎不受阻力的影响,它们的角动量也就基本上不会被消耗掉,所以它们可以一直保持运动。那些会发生碰撞的天体都已经消失了,剩下的大都是能够稳定运行的天体。
虽然天体一直在运动,但这并不意味着它们是永动机。天体运动的维持也不需要什么力量,只要角动量没有被消耗掉,天体的运动就不会停下来。
那么,星云的角动量又是来自于哪里呢?
这就要追溯到宇宙的起源。根据标准宇宙模型,我们的宇宙有一个开端,可以追溯到138亿年前的一个炽热致密奇点。宇宙从大爆炸中形成,宇宙中的一切物质都是来自于最初的纯能量,这些能量支持了天体的运动。